فالتواصل الفضائي العميق هو أحد أكثر التحديات التقنية فساداً في مجال استكشاف الفضاء، حيث أن رحلة المركبات الفضائية إلى المريخ والمشتري وزحل وما بعده يجب أن تحافظ على روابط بيانات موثوقة مع الأرض عبر مسافات تمتد إلى ملايين أو حتى مليارات الكيلومترات، وتتجاوز هذه الروابط البيانات العلمية، والمقاييس عن بعد، والقيادات التي لها أهمية حاسمة بالنسبة لنجاح البعثة، وتضع نطاق هذه المسافات، وتقترن بظروف دنية في الطلب على الفضاء.

التحديات الأساسية في مجال الاتصالات الفضائية العميقة

فالتواصل عبر المسافات بين الكواكب يختلف اختلافاً جوهرياً عن الوصلات اللاسلكية الأرضية، ويتسبب القانون في المجال العكسي في تسرّب الإشارات بشكل كبير من مسافة بعيدة، بينما يؤدي الضوضاء الكونية والتدخل من مصادر أخرى إلى زيادة تدهور الإشارة، فبعد التخفيف والضوضاء، يجب على المهندسين أن يتنافسوا مع العفة القصوى، ونوبات دوبلر، والكتلات الكوكبية، ومحدودية القوة والميزانيات الجماعية الموجهة على المركبات الفضائية.

الإشارة والحواجز الطارئة

سرعة الضوء تقلل تماماً من سرعة الاتصالات، حيث إن متوسط المسافة بين الأرض والمريخ (حوالي 225 مليون كيلومتر)

تحديات عدد الإشارات ودرجة الضوضاء

إشارات الراديو تسافر عبر الفضاء العميق تفقد الطاقة بسبب انتشارها الجغرافي وبدرجة أقل، الامتصاص بواسطة متوسطات متقطعة، على مسافات الكواكب الخارجية، يمكن أن تكون الإشارة المتلقاة أضعف من إشارة الهاتف الخلوي العادية هذه الإشارة مستخرجة من خلفية الضوضاء الكونية -

Doppler Shift and Frequency Compensation

فالحركة النسبية بين الأرض والمركبات الفضائية تتسبب في تحول في الأثر المتلقاه من التردد - دوبلر، وبالنسبة لمركبات فضائية تسافر على عشرة كيلومترات لكل ثانية بالنسبة للأرض، يمكن أن يكون هذا التحول كبيرا، وإذا لم يعوض، فإنه يمكن أن يسبب الإشارة إلى الانجراف خارج نطاق الترددات الترددية للمستقبل.

التلقيحات الكوكبية والربط بين الإفلاس

وعندما تمر مركبة فضائية خلف كوكب قريب من الأرض، يحجب الكوكب نفسه الإشارة الإذاعية، ويمكن أن تستمر هذه الاختراعات لعشرات دقائق أو أكثر، ولا يمكن الحصول على بيانات خلالها، وتُزوَّد المركبة الفضائية بذاكرة عازلة وبروتوكات تخزين وفورية، بالإضافة إلى تصميم نوافذ اتصال للتداخل مع مرور المحطات الأرضية، باستخدام مجمعات متعددة من أجهزة DSN خارج المعمورة، وذلك من أجل تحقيق أقصى قدر من التغطية.

الحلول الهندسية التي يمكن أن تصل بعمق الروابط

ويتطلب التغلب على هذه التحديات مزيجا من الهياكل الأساسية الأرضية الكبيرة، ومعدات المركبات الفضائية، والبروتوكولات المتطورة، وتفصل الأقسام الفرعية التالية الحلول الهندسية الرئيسية التي يجري نشرها حاليا.

شبكة الفضاء العميق: شعاع عالمي من الهوائيات العملاق

شبكة الفضاء الغامضة (الناسا) هي العمود الفقري للتواصل الفضائي العميق، وهي تتألف من ثلاث مجمعات للاتصالات في الفضاء العميق تبعد حوالي 120 درجة عن خط الطول، في (غولدستون)، (كاليفورنيا)، بالقرب من (مدريد)، (إسبانيا)، و(كانبيرا)، (أستراليا)

أجهزة تحويل ذات قوة عالية وأجهزة تضخيم فعالة

وعلى جانب المركبات الفضائية، فإن إرسال إشارة قوية يحده القدرة المتاحة، ومعظم المسبارات الفضائية العميقة تستخدم مولدات كهربائية تعمل بالنظير الحراري أو لوحات شمسية لتوليد الكهرباء، وتزود عادة عشرات إلى مئات الشواطئ، وتزيد المحركات من الطاقة الإشعاعية الفعالة باستخدام أجهزة كمائن ذات محرك متعدد الأطراف تعمل بالطاقة ([FT:0])

مخططات التطوير والترميز المتقدمة

(ب) لاستخراج أقصى المعلومات من إشارة ضعيفة، تستخدم البعثات الفضائية العميقة أسلوباً فعالاً في المضاربة، ومدونات قوية لإبطال الأخطاء، وتضع اللجنة الاستشارية لنظم البيانات الفضائية بروتوكولات موحدة مثل رموزاً ذاتية منخفضة و[FLow-Density Parity-Check codes[FT:3].

الملاحة الذاتية ومعالجة البيانات

وبسبب التأخيرات الطويلة في المرحلتين المطوّرة، يجب أن تتخذ المركبات الفضائية قرارات كثيرة بشكل مستقل، وينطبق ذلك بصفة خاصة على تسلسلات الدخول والنسب والهبوط على سطح الكوكب، وعلى سبيل المثال، فإن بيانات المرفأ المكشوف المنسّق المركب قد أدت تسلسلها في الهبوط بشكل مستقل تماما، معتمدة على أوامر مسبقة بالكشف عن المخاطر.

ساتلاً مُتكرراً ومُعدّد الأطقم

لا يوجد كل اتصال فضائي مباشر بالنسبة للبعثات على الكواكب أو حولها، تقوم السواتل بالنقل باعادة تحليل البيانات القيمة، كما أن Mars Reconnaissance Orbiter (MRO)

التكنولوجيات الناشئة ومستقبل الاتصالات الفضائية العميقة

وفي حين أن نظم الترددات اللاسلكية الحالية قد نجحت منذ عقود، فإن البعثات المقبلة ستطالب بمعدلات بيانات أعلى بكثير، كما أن الفيديو العالي التعريف، والبيانات المستقيمة المفصلة، وفي نهاية المطاف، ستتطلب اتصالات الأطقم البشرية النطاق الترددي الذي تكافحه نظم الترددات الإقليمية لتوفير مسافات كبيرة، ويجري تطوير سلالة جديدة من التكنولوجيات لكسر هذه الاختناقات.

الاتصالات اللازرية: وصلات سريعة إلى النجوم

ويحتاج البديل الأكثر واعدة للإذاعة إلى الاتصالات البصرية في الفضاء الحر، التي تسمى عادة الاتصالات بالليزر، ويمكن للنظم البصرية باستخدام الضوء الخفيف أو المرئي أن تحقق معدلات بيانات أعلى من نظم الترددات ذات القوة المماثلة من 10 إلى 100 مرة، كما أن [الأجهزة المحمولة] التي تُستخدم في أجهزة كشف الترددات الفضائية (LOLT) (LSO) على متن بعثة " LADEE " ، قد حققت معدلاً مكافئاًاً من الترددات

نفق/النقل إلى شبكات المسامحين

أما بروتوكولات الإنترنت التقليدية فتتمثل في وجود تنازلات منخفضة، وربطات مستمرة لا توجد في الفضاء العميق، ومن أجل معالجة ذلك، فإن [المحطة الأرضية: صفر] [الشبكة الفضائية] التي تستخدمها شبكة متنقلة، (الشبكة الفضائية] (DTN) يمكن أن تُرسل مباشرة إلى محطة فضائية مجهزة، حتى تُصبح مخزناً رسمياً،

الاتصالات الكمية: الأمن النهائي؟

وعلى الرغم من أن الاتصالات الكمية لا تزال تجريبية، فإنها تتيح نهجا مختلفا اختلافاً جوهرياً، إذ يمكن أن تتيح [اللوحات الضوئية] [اللوحات الفلورية]] توزيعاً رئيسياً [اللوائح الفضائية] [اللوائح الفلورية:] مع ضمان أمني بموجب قوانين الفيزياء، أما بالنسبة للفضاء العميق، فإن التحدي الرئيسي يتمثل في الحفاظ على التشابك على طول المسافة البعيدة المدى.

أجهزة راديو وأجهزة اتصال معرفية

وثمة اتجاه آخر يتمثل في تزايد استخدام أجهزة الراديو المحددة بأجهزة الموجات الشعاعية [SDRs] ] في المركبات الفضائية، ويمكن أن تعيد أجهزة السحب الخاصة تشكيل تواترها التشغيلي، والتعديل، والتدفئة في الرحلات الجوية، مما يسمح لها بالتكيف مع الظروف المتغيرة أو حتى الاستجابة للإخفاقات، وعلى سبيل المثال، إذا تحولت الترددات إلى الضوضاء نتيجة للنشاط الشمسي، يمكن أن تتحول إلى تقنيات الوصل.

الطاقة النووية لمعدلات الانتقال العالي

ولا يزال توليد الطاقة عاملاً يحد من ذلك، إذ توفر فرق الطاقة المتجددة طاقة متواضعة، ولكن البعثات المقبلة قد تستخدم كيلو فولت ] مفاعلات الانشطار النووي التي يمكن أن تولد عشرات الكيلوتات، ويمكن أن تسمح هذه الطاقة باستخدام أجهزة إرسال ذات قوة عالية ومعدلات بيانات أكبر، أو تدعم عمليات تجهيز أكثر تطوراً على متن السفن.

خاتمة

إن الاتصالات العميقة في الفضاء هي ميدان يضغط باستمرار على حدود الهندسة، فمن الهوائيات الهائلة لشبكة الفضاء العميق إلى أجهزة استقبال ذات مستوى متناهي الصغر على متن المركبات الفضائية، فإن كل عنصر مصمم للتغلب على الفيزياء الأساسية للمسافات والضوضاء، وقد طور المهندسون مجموعة أدوات غنية: هوائيات عالية الغازات، ومدونات قوية لكشف الأخطاء، ونظم مستقلة، ووصلات مرئية، وحديثة.

To further reading, consult the NASA Deep Space Network overview at https://www.nasa.gov/directorates/heo/services/networksn, and the